凍融循環(huán)作用下再生骨料處理對(duì)混凝土性能的影響

劉全升

凍融循環(huán)作用下再生骨料處理對(duì)混凝土性能的影響

劉全升

河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院, 河南 鄭州 450008

本文測(cè)試了不同再生粗骨料摻量和再生粗骨料處理的混凝土質(zhì)量損失率、彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等基本抗凍性能指標(biāo)，分析了再生粗骨料摻量和骨料處理對(duì)混凝土抗凍性能的影響。結(jié)果表明：1）再生混凝土的質(zhì)量和彈性模量損失隨再生骨料摻量的增大而增大；2）混凝土的抗凍性能基本呈現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而降低的現(xiàn)象；3）包漿處理可以有效提高混凝土的抗凍性能，整形處理次之，飽水處理再次之。

再生骨料; 處理方法; 凍融循環(huán); 再生混凝土; 抗凍性能

建筑施工、舊建筑拆除、裝修等均會(huì)產(chǎn)生大量的混凝土廢料[1]，混凝土自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，短期內(nèi)難以分解[2]。廢棄混凝土是城市建筑垃圾的重要組成部分，而目前我國(guó)總建筑垃圾已經(jīng)超過(guò)200億t[3]。如何處理建筑垃圾已成為環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)話題[4,5]。學(xué)者們提出將混凝土廢料通過(guò)處理作為再生粗骨料再次澆筑再生混凝土材料，這可以大量消耗建筑垃圾，避免建筑垃圾占用大量土地[6,7]。同時(shí)，混凝土通過(guò)分揀、破碎、處理和篩分等工序重新加工再次作為再生粗骨料可以有效降低天然粗骨料的使用量，保護(hù)環(huán)境[8,9]。基于此，本文利用廢棄混凝土試件制備再生粗骨料，取代部分或全部天然粗骨料制備再生混凝土樣品，并測(cè)試其質(zhì)量損失率、彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等基本抗凍性能，分析再生混凝土抗凍性能隨再生粗骨料摻量的變化規(guī)律，研究再生粗骨料的不同處理方法對(duì)混凝土抗凍性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料由水泥、粉煤灰、粗骨料、細(xì)骨料、攪拌用水等組成。再生粗骨料選取石灰?guī)r碎石，再生粗骨料選用實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土試塊，利用部分或全部再生粗骨料取代天然粗骨料。再生粗骨料的制備流程如圖1所示，再生粗骨料制備主要有分揀、破碎、處理和篩分等步驟，處理包括保水處理、整形處理、包漿處理。飽水處理是指在澆筑之前使再生骨料預(yù)先吸水達(dá)到飽和面干狀態(tài)；整形處理是指粗骨料可以達(dá)到(GB/T 25177-2010)《混凝土再生粗骨料》中的I級(jí)高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；包漿處理是指骨料進(jìn)行預(yù)濕水使其達(dá)到飽和面干，在攪拌前增加設(shè)計(jì)水泥漿的10%，以便對(duì)粗骨料進(jìn)行預(yù)裹漿，提高再生粗骨料的強(qiáng)度。

圖 1 再生骨料制備流程

為了分析不同再生骨料取代率對(duì)再生混凝土物理力學(xué)性能的影響，制備如表1所示的5組試樣樣品。再生混凝土的粉煤灰摻量為20%，水灰比為0.4，再生骨料取代率分別為0%、25%、50%、75%和100%。為了分析再生骨料摻量和骨料處理對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響規(guī)律，分別測(cè)試了試樣的質(zhì)量損失率、彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等基本抗凍性能指標(biāo)。

表 1 混凝土配比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 再生骨料摻量對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響

當(dāng)再生骨料不作任何處理時(shí)，不同再生骨料摻量條件下混凝土質(zhì)量和相對(duì)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖2所示。可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土質(zhì)量損失均出現(xiàn)了先減小后逐漸增大的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)閮鋈诔跗谠偕炷恋谋砻骖w粒剝落量較少，而混凝土天然存在的孔隙通道卻會(huì)在凍融作用下從外部?jī)鋈诃h(huán)境中吸收一定量的水分，導(dǎo)致其質(zhì)量增加；凍融后期再生混凝土凍融損傷量逐漸加劇，其表面膠化物質(zhì)或顆粒剝落量迅速增大，因而其質(zhì)量損失率逐漸增大。另外，由于再生骨料孔隙率和比表面積要大于天然骨料，因此，在凍融作用下再生骨料吸收的水量要比天然骨料大，相應(yīng)地其受凍融作用影響就較大。由圖2可知，相同凍融循環(huán)次數(shù)下，再生骨料摻量越大，再生混凝土的質(zhì)量和彈性模量損失就越大。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為120次時(shí)，再生骨料摻量為25%、50%、75%和100%的混凝土的彈性模量損失分別為18.3%、22.5%、29.2%以及33.9%；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料摻量為25%、50%、75%和100%的混凝土的質(zhì)量損失分別為3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。

圖 2 再生骨料摻量對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響

2.2 骨料處理對(duì)再生混凝土抗凍性能的影響

2.2.1 質(zhì)量損失率當(dāng)再生骨料摻量為25%時(shí)，再生骨料不同處理方式下混凝土質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖3所示。由圖可知，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于90次時(shí)，再生混凝土在凍融循環(huán)作用下均會(huì)因吸水量大于剝落量而出現(xiàn)質(zhì)量增加的現(xiàn)象；而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于90次時(shí)，再生混凝土質(zhì)量則隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，且減小幅度愈來(lái)愈大。在這幾種不同再生骨料處理方式中，包漿處理對(duì)再生混凝土的抗凍性能提升效果最好，整形處理次之，飽水處理再次之，不作任何處理最差。這主要是因?yàn)閷?duì)再生骨料進(jìn)行飽水處理能夠使再生混凝土水化反應(yīng)更加完全，導(dǎo)致其孔隙率和吸水率下降，在一定程度上降低了混凝土的凍融損傷；而對(duì)再生混凝土進(jìn)行整形處理，則能夠有效去除再生骨料的突出邊緣，阻止水泥漿液在再生骨料表面的無(wú)效硬化，從而使再生混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)更加良好，進(jìn)而提高再生混凝土的抗凍性能；對(duì)再生骨料進(jìn)行預(yù)包漿處理，則能夠填充和粘合再生骨料的微小裂紋，使得再生骨料的內(nèi)部缺陷大大降低，因而其在凍融作用下吸收的水量反而最小，導(dǎo)致再生混凝土抗凍性能大大增加，甚至要優(yōu)于天然骨料。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料不同處理方式下（不作處理、飽水處理、整形處理以及包漿處理）混凝土的質(zhì)量損失分別為3.2%、2.6%、1.9%和1.4%。

2.2.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土彈性模量的影響曲線如圖4所示。由圖可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的彈性模量損失越來(lái)越大。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為180~210次時(shí)，再生骨料不作任何處理下混凝土的彈性模量首先降低至60%以下，意味著此時(shí)再生混凝土工作性能就難以保證；隨著凍融次數(shù)的繼續(xù)增加，再生骨料飽水處理下的混凝土彈性模量也接著降低至60%以下；當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)到210~240次時(shí)，再生骨料整形處理的混凝土也因凍融損傷加劇而喪失工作性能；而當(dāng)凍融次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料包漿處理和天然骨料的混凝土彈性模量仍能保持在70%以上。這說(shuō)明，再生骨料包漿處理能夠最有效的提高再生混凝土的抗凍性能，以凍融循環(huán)次數(shù)180次為例，再生混凝土在再生骨料處理方式分別為不作處理、飽水處理、整形處理以及包漿處理?xiàng)l件下，其相對(duì)彈性模量分別為63.3%、67.8%、76.7%和84.9%。

圖 3 再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土質(zhì)量的影響曲線

圖 4 再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土彈性模量的影響曲線

2.2.3 相對(duì)抗壓強(qiáng)度圖5所示為不同再生骨料處理方式下再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于90次時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度在凍融作用下?lián)p失相對(duì)較小，甚至在再生骨料包漿處理時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度反而在凍融作用下出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。這個(gè)原因可能是，再生骨料表面包漿在預(yù)包裹時(shí)未能夠充分水化，而當(dāng)凍融作用時(shí)，水由表面進(jìn)入，與其進(jìn)一步水化反應(yīng)生成堅(jiān)硬物質(zhì)，從而增強(qiáng)了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于90次時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，凍融次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料不作處理、飽水處理、整形處理以及包漿處理下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為普通混凝土的61%、76%、92%和115%。可見(jiàn)，再生骨料的處理方式對(duì)再生混凝土凍融作用下的承載性能影響很大。

2.2.4 相對(duì)抗折強(qiáng)度再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土抗折強(qiáng)度的影響曲線如圖6所示。可以看出，凍融循環(huán)作用對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度的影響要大于抗壓強(qiáng)度，這主要是因?yàn)椋趦鋈谧饔孟略偕炷廉a(chǎn)生的凍脹裂隙可能會(huì)在抗壓試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生閉合而繼續(xù)傳遞壓力，而不能在抗彎拉試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生較大的作用。當(dāng)凍融次數(shù)為180~210次時(shí)，再生混凝土抗折強(qiáng)度基本都降低至40%以下，意味著此時(shí)再生混凝土的偏心受壓性能大大降低。不同再生骨料處理方式下，包漿處理下再生混凝土的抗折強(qiáng)度最高，整形處理次之，飽水處理再次之。當(dāng)凍融次數(shù)為180次時(shí)，與再生骨料不作任何處理的混凝土相比，再生骨料作包漿、整形以及飽水處理時(shí)的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度分別提高44%、22%和5%。因此，條件允許的情況下，建議對(duì)再生混凝土的再生骨料進(jìn)行整形或者包漿處理。

圖 5 再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響曲線

圖 6 再生骨料處理對(duì)凍融作用下再生混凝土抗折強(qiáng)度的影響曲線

3 結(jié)論

（1）相同凍融循環(huán)次數(shù)下，再生骨料摻量越大，再生混凝土的質(zhì)量和彈性模量損失就越大；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為120次時(shí)，再生骨料摻量為25%、50%、75%和100%的混凝土的彈性模量損失分別為18.3%、22.5%、29.2%以及33.9%；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料摻量為25%、50%、75%和100%的混凝土的質(zhì)量損失分別為3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。

（2）當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于90次時(shí)，再生混凝土在凍融循環(huán)作用下均因吸水量大于剝落量而質(zhì)量出現(xiàn)增加的現(xiàn)象；而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于90次時(shí)，再生混凝土質(zhì)量則隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小，且減小幅度愈來(lái)愈大。這幾種不同再生骨料處理方式中，包漿處理對(duì)再生混凝土的抗凍性能提升效果最好，整形處理次之，飽水處理再次之，不做任何處理則最差。

（3）當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)大于90次時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降；凍融次數(shù)為240次時(shí)，再生骨料不作處理、飽水處理、整形處理以及包漿處理下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為普通混凝土的61%、76%、92%和115%。

（4）不同再生骨料處理方式下，包漿處理下再生混凝土的抗折強(qiáng)度最高，整形處理次之，飽水處理再次之。當(dāng)凍融次數(shù)為180次時(shí)，與再生骨料不作任何處理的混凝土相比，再生骨料作包漿、整形以及飽水處理的混凝土殘余抗壓強(qiáng)度分別提高了44%、22%和5%。

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Effect of Recycled Aggregate Treatment on Concrete Performance under Freeze-thaw Cycle

LIU Quan-sheng

450008,

Concrete samples with different regenerated coarse aggregate content and treatment methods were prepared. The basic antifreeze performance indexes, such as mass loss rate, elastic modulus, compressive strength and flexural strength, were tested. The influence of regenerated coarse aggregate content and treatment on the antifreeze performance of concrete was analyzed. The results show that: 1) The mass and elastic modulus loss of recycled concrete increases with the increase of recycled aggregate content. 2) The frost resistance of concrete basically decreases with the increase of freeze-thaw cycle times. 3) Slurry treatment can effectively improve the frost resistance of concrete, followed by plastic treatment and water saturation treatment.

Recycled aggregate; treatment method; freeze-thaw cycle; recycled concrete; antifreeze performance

TU528.01

A

1000-2324(2019)03-0456-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.022

2018-05-03

2018-06-12

劉全升(1967-),男,本科,講師,研究方向:建筑與裝飾. E-mail:384842000@qq.com